Czterdzieści lat temu naukowcy wymyślili nowy rodzaj cząsteczki o niewielkiej masie, która może rozwiązać jedną z największych tajemnic natury: pochodzenie ciemnej materii. Teraz rozpoczął się nowy rozdział w poszukiwaniach tej cząstki.
Jedna z teorii fizycznych mówi, że ciemna materia, która spaja galaktyki, może składać się z ogromnej liczby cząsteczek o niskiej masie, niezwykle trudnych do wykrycia podczas ich podróży przez Wszechświat. Już w latach osiemdziesiątych podjęto wysiłki mające na celu znalezienie tej cząstki, którą teoretyk Frank Wilczek nazwał aksjonem. Zakończyły się one jednak niepowodzeniem.
Jednak w zeszłym miesiący detektor ADMK (ang. Axion Dark Matter Experiment) odkrył coś ważne (artykuł na ten temat już opublikowano w prestiżowym „Physical Review Letters”): po raz pierwszy w historii osiągnięto czułość pozwalającą na „usłyszenie” sygnałów związanych z cząstkami ciemnej materii. Ten przełom technologiczny jest rezultatem ponad 30 lat badań, a sam detektor jest urządzeniem kwantowym.
ADMX to tak zwany haloskop – duży, niskoszumowy odbiornik radiowy, który naukowcy dostrajają do różnych częstotliwości i słuchają za jego pomocą „śladów” różnych cząstek. Aksjony prawie nigdy nie wchodzą w interakcję z materią, ale przy pomocy silnego pola magnetycznego i zimnego, ciemnego, odpowiednio dostrojonego, odblaskowego „pudła” ADMX może usłyszeć fotony powstałe wówczas, gdy aksjony przekształcają się w fale elektromagnetyczne wewnątrz takiego detektora. Co ciekawe, ta metoda detekcji została opracowana już w roku 1983 (przez Pierre'a Sikivie'a), jednak dopiero niedawno zespół naukowy ADMX był w stanie wykorzystać dodatkowo nadprzewodnikowe wzmacniacze kwantowe, umożliwiając eksperymentowi osiągnięcie nieosiągalnej wcześniej czułości. Poprzednie doświadczenia z udziałem ADMX były nieudane głównie ze względu na szumy generowane przez promieniowanie cieplne i wbudowaną elektronikę urządzenia.
Bezprecedensową czułość ADMX osiąga dziś także po części dzięki cichemu wzmacniaczowi kriogenicznemu, który jest w nim użyty jako drugi stopień odbiornika. Ten specjalnie zaprojektowany wzmacniacz, opracowany pierwotnie w amerykańskim National Radio Astronomy Observatory (NRAO) dla odbiornika głównego radioteleskopu w Green Bank, idealnie nadaje się dla ADMX, nawet gdy pracuje w silnym polu magnetycznym.
ADMX jest zarządzany przez Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i znajduje w Waszyngtonie. Najnowsze wyniki określiły limity dla niewielkiego wycinka zakresu częstotliwości, na jakich „słychać” egzotyczne cząstki. Ale to dopiero początek badań. Polowanie na aksjony dopiero się bowiem rozpoczyna i potrawa nawet kilka lat. Detektor ADMX przetestuje miliony częstotliwości. Jeśli znajdzie te cząstki, będzie to wielkie odkrycie, które może wyjaśnić nie tylko ciemną materię, ale i inne sekrety Wszechświata. Jeśli ich nie znajdzie, być może zmusi teoretyków do opracowania nowych hipotez i rozwiązań.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł (NRAO)
- Status detektora ADMX
- Axion alert! Exotic-particle detector may miss out on dark (Nature)
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Źródło: NRAO
Na zdjęciu: wnętrze podziemnego detektora ADMX. Źródło: Mark Stone/University of Washington
